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更多>>最后一種諧振器技術基于微機電系統可編程晶振
來源：http://www.diginow.com.cn 作者：康比電子 2019年03月26
本文康比電子將要討論的最后一種諧振器技術是基于微機電系統(MEMS)的諧振器.MEMS采用標準半導體制造工藝來生產微型機械元件.這些器件的尺寸從微米到毫米不等.類似于高頻音叉的諧振器設計用于在靜電激勵下振動.這些諧振器的芯片結構與可編程振蕩器/控制器集成電路結合在一起(圖1).
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可編程晶振的最大優點是不受機械沖擊和振動的影響,此優點是手機,相機和手表等移動應用中的一個重要因素.
振蕩器電路類型
模塊化振蕩器的電路拓撲結構已經發展了數十年,目前有許多可用技術.幾乎在所有情況下,電路的改進都是為了提高石英晶體振蕩器輸出頻率的精度和穩定性.上一段中的示例包括非石英SAW和MEMS振蕩器.應用于石英振蕩器的技術也可應用于任何類型的振蕩器.這些振蕩器工作時的額定負載電容均為15皮法(pF).負載電容的變化會影響工作頻率.
這些拓撲結構的比較均基于裸英晶體振蕩器(XO)(圖2).此示例是通過使用邏輯門來實現,并且包括變容二極管以允許調整.這些簡單的振蕩器所呈現的頻率穩定性約為20-100百萬分率(ppm).
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溫度補償晶體振蕩器(簡稱"TCXO")增加了電路元件,以補償石英諧振器和放大器的溫度相關變化(圖3).
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Abracon的ASTX-H12-10.000MHZ-T是一款典型的TCXO,具有HCMOS輸出電平和±2ppm的頻率穩定性規格,其成本大約是基本XO的三倍.
另一種穩定溫度的方法是將振蕩器模塊封裝在控溫箱中(圖4),這種拓撲結構稱為恒溫晶體振蕩器(OCXO晶振).
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Connor-Winfield的DOC050F-010.0M是一款具有LVCMOS輸出電平的OCXO.這款振蕩器具有指定的±0.05ppm頻率穩定性.相對于基本晶體振蕩器,在性能得到改進的同時,具有更高的功耗(由于增加了控溫箱),更大的尺寸和更高的成本(約為XO的30至40倍).
上文討論的MEMS振蕩器就是數字控制振蕩器(DCXO)的示例.
SiTime晶振的SIT3907AC-23-18NH-12.000000X是一款基于MEMS的DCXO,具有LVCMOS邏輯輸出和10ppm頻率穩定性.這款DCXO可使用內部PLL對頻率變化進行編程,其"牽引"范圍為±25至±1600ppm.
微電腦控制的晶體振蕩器(MCXO)具有與OCXO相同的頻率穩定性,且封裝更小,功率要求更低.MCXO使用兩種方法中來穩定其輸出頻率.第一種方法是讓源振蕩器以高于所需輸出的頻率運行,并使用脈沖刪除來實現所需的輸出頻率.第二種方法是以略低于所需輸出的頻率來運行內部源振蕩器,并將內部直接數字合成器(DDS)產生的校正頻率增加到源輸出頻率.
IQDFrequencyProducts的LFMCXO064078BULK是一種兼容HCMOS的MCXO,頻率穩定性為0.05ppm.該產品系列包括10至50MHz之間關鍵固定頻率的振蕩器,其物理體積僅為88mm3,3.3V電壓下僅需10毫安(mA)電流,總功耗為33毫瓦(mW).
某些應用需要調整振蕩器的頻率,這一調整可通過數字方式或模擬控制來完成.模擬控制使用壓控晶體振蕩器(VCXO)來完成.圖5顯示了如何通過向與諧振器串聯的變容二極管施加電壓,并通過改變負載電容來改變其頻率的方式來調整振蕩器,這是VCXO的基本原理.
IntegratedDeviceTechnologyInc.的XLH53V010.000000I便是VCXO的一個示例,可提供HCMOS輸出電平和±50ppm的頻率穩定性.VCXO的牽引范圍顯示了通過改變控制電壓能夠實現的最大頻率偏移.該振蕩器的牽引范圍為±50ppm.對于10MHz的標稱輸出頻率,牽引范圍為±500Hz.
諧振器部分描述的SAW振蕩器是另一種具有高可靠性特點的低成本振蕩器.愛普生晶振的XG-1000CA100.0000M-EBL3就是SO的一個示例.這些器件可在固定頻率應用中使用,例如遙控發射器.它們具有良好的穩定性和抖動規格,但最大的好處是可靠性強.
針對應用選擇相符的振蕩器
一般而言,將振蕩器用作精準時基的應用都需要具有更高頻率穩定性的振蕩器.因此,GPS相關應用都非常適合使用基于OCXO或MCXO的振蕩器.如果某個應用需要耐沖擊和耐振動,則SO振蕩器最合適.高速串行接口的時鐘需要低時序抖動.成本是所有設計都要考慮的一個因素,通常隨所提供的頻率穩定性程度而變化.根據所用的技術,其他諸如尺寸或功率要求等因素則取決于器件.這些因素可能需要在工程方面進行權衡.表1對本文所討論振蕩器的主要規格進行了比較,以幫助您關注各種振蕩器的特性和優勢.
備注:
a. 根據相位噪聲計算的估計值
b. 啟動/穩態
表1:比較各種可編程晶振所依據的典型參數.每個參數的選擇均依據設計要求和其他因素(如成本和設計時的可獲得性).
表中振蕩器的排列順序是依據頻率穩定性.請注意,本文中使用的是特定輸出頻率,所有這些振蕩器的各型號系列均可提供一定范圍的輸出頻率.
結論
充分了解振蕩器的結構和操作,可以幫助設計人員集中精力找到合適的振蕩器,從而滿足其應用需求.設計人員在為設計項目選擇有源晶振時,總是會涉及工程權衡,其中包括成本,功率,空間,穩定性和準確性;但目前可用的振蕩器種類繁多,可通過現成的解決方案來最大限度地減少這些權衡.
圖1:MEMS振蕩器模塊將MEMS機械結構與振蕩器/控制器IC結合在一個封裝內.
振蕩器/驅動器為MEMS結構提供激勵,并將其輸出饋送至小數N分頻鎖相環(PLL),并由該鎖相環將MEMS器件的輸出頻率乘以可編程因子"N".一次性可編程(OTP)存儲器用于存儲模塊配置參數.溫度補償可通過調節PLL內的輸出頻率來實現.此外,也可對PLL進行編程,從而為振蕩器提供數字控制的頻率輸出.可編程晶振的最大優點是不受機械沖擊和振動的影響,此優點是手機,相機和手表等移動應用中的一個重要因素.
振蕩器電路類型
模塊化振蕩器的電路拓撲結構已經發展了數十年,目前有許多可用技術.幾乎在所有情況下,電路的改進都是為了提高石英晶體振蕩器輸出頻率的精度和穩定性.上一段中的示例包括非石英SAW和MEMS振蕩器.應用于石英振蕩器的技術也可應用于任何類型的振蕩器.這些振蕩器工作時的額定負載電容均為15皮法(pF).負載電容的變化會影響工作頻率.
這些拓撲結構的比較均基于裸英晶體振蕩器(XO)(圖2).此示例是通過使用邏輯門來實現,并且包括變容二極管以允許調整.這些簡單的振蕩器所呈現的頻率穩定性約為20-100百萬分率(ppm).
圖2:使用邏輯反相器實現的基本晶體振蕩器提供了一種功能,通過與石英晶體串聯的變容二極管來控制電壓.
Abracon的ASV-10.000MHZ-LCS-T是一種表面貼片晶振晶體時鐘振蕩器,具有HCMOS邏輯電平的數字輸出.這種振蕩器的主要優點是成本低,其頻率穩定性為±50ppm,但該系列振蕩器中其他器件的穩定性規格為20至100ppm.頻率漂移的主要來源是溫度變化.另一個來源是晶體老化或頻率隨時間的變化.老化率與基本穩定性成正比.在這種振蕩器的情況下,老化率為每年±5ppm.XO適用于不需要較高的頻率穩定性的通用應用,包括微處理器的時鐘源等.溫度補償晶體振蕩器(簡稱"TCXO")增加了電路元件,以補償石英諧振器和放大器的溫度相關變化(圖3).
圖3:由于石英諧振器和放大器對溫度敏感,因此TCXO添加了溫度傳感器和溫度補償網絡來校正頻率漂移.
諸如熱敏電阻等溫度傳感器可用于產生校正電壓,該校正電壓通過適當的網絡施加到與晶體串聯的可變電壓變容二極管,從而實現頻率控制.這可通過改變石英晶體的容性負載來執行.溫度補償可以使頻率穩定性提高20倍或更多.Abracon的ASTX-H12-10.000MHZ-T是一款典型的TCXO,具有HCMOS輸出電平和±2ppm的頻率穩定性規格,其成本大約是基本XO的三倍.
另一種穩定溫度的方法是將振蕩器模塊封裝在控溫箱中(圖4),這種拓撲結構稱為恒溫晶體振蕩器(OCXO晶振).
圖4:通過將振蕩器封裝在控溫箱(溫度設為與晶體的頻率溫度曲線斜率為零時的溫度一致)內,OCXO可使振蕩器的溫度保持穩定.
晶體振蕩器封裝在控溫箱中.控溫箱的溫度設為晶體的頻率溫度曲線斜率為零時的數值,使得細小的溫度變化造成的振蕩器頻率變化極小或沒有變化.OCXO可將振蕩器的穩定性提高一千倍以上.這種有源晶振適用于需要精確定時的應用,如導航系統或高速串行數據通信.Connor-Winfield的DOC050F-010.0M是一款具有LVCMOS輸出電平的OCXO.這款振蕩器具有指定的±0.05ppm頻率穩定性.相對于基本晶體振蕩器,在性能得到改進的同時,具有更高的功耗(由于增加了控溫箱),更大的尺寸和更高的成本(約為XO的30至40倍).
上文討論的MEMS振蕩器就是數字控制振蕩器(DCXO)的示例.
SiTime晶振的SIT3907AC-23-18NH-12.000000X是一款基于MEMS的DCXO,具有LVCMOS邏輯輸出和10ppm頻率穩定性.這款DCXO可使用內部PLL對頻率變化進行編程,其"牽引"范圍為±25至±1600ppm.
微電腦控制的晶體振蕩器(MCXO)具有與OCXO相同的頻率穩定性,且封裝更小,功率要求更低.MCXO使用兩種方法中來穩定其輸出頻率.第一種方法是讓源振蕩器以高于所需輸出的頻率運行,并使用脈沖刪除來實現所需的輸出頻率.第二種方法是以略低于所需輸出的頻率來運行內部源振蕩器,并將內部直接數字合成器(DDS)產生的校正頻率增加到源輸出頻率.
IQDFrequencyProducts的LFMCXO064078BULK是一種兼容HCMOS的MCXO,頻率穩定性為0.05ppm.該產品系列包括10至50MHz之間關鍵固定頻率的振蕩器,其物理體積僅為88mm3,3.3V電壓下僅需10毫安(mA)電流,總功耗為33毫瓦(mW).
某些應用需要調整振蕩器的頻率,這一調整可通過數字方式或模擬控制來完成.模擬控制使用壓控晶體振蕩器(VCXO)來完成.圖5顯示了如何通過向與諧振器串聯的變容二極管施加電壓,并通過改變負載電容來改變其頻率的方式來調整振蕩器,這是VCXO的基本原理.
IntegratedDeviceTechnologyInc.的XLH53V010.000000I便是VCXO的一個示例,可提供HCMOS輸出電平和±50ppm的頻率穩定性.VCXO的牽引范圍顯示了通過改變控制電壓能夠實現的最大頻率偏移.該振蕩器的牽引范圍為±50ppm.對于10MHz的標稱輸出頻率,牽引范圍為±500Hz.
諧振器部分描述的SAW振蕩器是另一種具有高可靠性特點的低成本振蕩器.愛普生晶振的XG-1000CA100.0000M-EBL3就是SO的一個示例.這些器件可在固定頻率應用中使用,例如遙控發射器.它們具有良好的穩定性和抖動規格,但最大的好處是可靠性強.
針對應用選擇相符的振蕩器
一般而言,將振蕩器用作精準時基的應用都需要具有更高頻率穩定性的振蕩器.因此,GPS相關應用都非常適合使用基于OCXO或MCXO的振蕩器.如果某個應用需要耐沖擊和耐振動,則SO振蕩器最合適.高速串行接口的時鐘需要低時序抖動.成本是所有設計都要考慮的一個因素,通常隨所提供的頻率穩定性程度而變化.根據所用的技術,其他諸如尺寸或功率要求等因素則取決于器件.這些因素可能需要在工程方面進行權衡.表1對本文所討論振蕩器的主要規格進行了比較,以幫助您關注各種振蕩器的特性和優勢.
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a. 根據相位噪聲計算的估計值
b. 啟動/穩態
表1:比較各種可編程晶振所依據的典型參數.每個參數的選擇均依據設計要求和其他因素(如成本和設計時的可獲得性).
表中振蕩器的排列順序是依據頻率穩定性.請注意,本文中使用的是特定輸出頻率,所有這些振蕩器的各型號系列均可提供一定范圍的輸出頻率.
結論
充分了解振蕩器的結構和操作,可以幫助設計人員集中精力找到合適的振蕩器,從而滿足其應用需求.設計人員在為設計項目選擇有源晶振時,總是會涉及工程權衡,其中包括成本,功率,空間,穩定性和準確性;但目前可用的振蕩器種類繁多,可通過現成的解決方案來最大限度地減少這些權衡.
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